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How to Maintain Power Integrity in your PCB Understanding the PCB Design Process Power Analyzer by Keysight PDN Analyzer PDN Analyzer for DC Power Integrity PDN Design for the PCB Designer
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電力消費を知る 電力消費の計算方法 1 min Blog 個々のコンポーネント、電気ブロック、あるいは電子システム全体の消費電力を理解することは、電子エンジニアにとって不可欠です。これは、コンポーネントの最大限度を超えないようにするだけでなく、消費電力がシステムの電圧と電流に関連しているため、入力側または出力側の未知のパラメータを計算することも重要です。この記事では、電子設計における消費電力を分析するための私の実践を説明します。 消費電力の計算方法：基本中の基本 まず、私の分析方法の基礎となる消費電力について説明します。電力に関する最初のルールは次のとおりです：システムの入力電力は常に出力電力よりも大きく、その逆はあり得ません。つまり、コンポーネント内で常に一部の電力が損失（Ploss）し、これがその消費電力です。したがって、消費電力の式はPin–Poutです。 基本的な消費電力の流れは図1に示されています。システムに電力を入力すると、その電力の一部がシステム内で熱として失われ、出力電力が減少します。したがって、出力電力は入力電力よりも少なくなければなりません。 ほとんどの電力損失は最終的にコンポーネント内部の熱となります。これは一般に電力散逸と考えられています。アクティブコンポーネントの場合、全体の電力の一部が他のエネルギー形態に転送されることがあり、これは一般に電力消費と見なされます。例えば、LEDでは、電力は発光（電力消費）と熱（電力散逸）から成ります。したがって、電力散逸は熱であり、電力消費はシステムから得たい電力です。電力散逸の公式では、例えば電気から光への電力転送は分析せず、システムやコンポーネントがどれだけ電力を散逸させるかのみを扱います。 第二のルールは、電力と電圧、電流の関係です。ご存知の通り、これはシステムの電流消費によって加えられた電圧を乗じたもの、つまり P = UI です。電圧と電流の関係は、抵抗またはインピーダンスであり、これはお馴染みのオームの法則 U = RI または U = ZI です。これら2つの方程式とその組み合わせにより、私たちは全ての電力散逸計算を行います。これらの法則が常に有効であることを覚えておくことは良いことです。加えられた電圧が5Vで、電流が1Aの場合も、5Ωの抵抗を通る場合も、加えられた電圧が1Vだが電流消費が5Aで、0.2Ωの抵抗を通る場合も、同じ電力が得られます。どちらの場合も、電力散逸は5Wであり、電圧と電流を使って計算するか、電流と抵抗を使って計算するかに関わらずです。電流ベースの計算では、P = RI² 記事を読む
12V DC 無停電電源装置 12V DC 無停電電源装置 1 min Altium Designer Projects PCB設計者 PCB設計者 PCB設計者 私は、強風や嵐の際に断続的に電力供給が不安定になる田舎の村に住んでいます。そのため、私のコンピューター、サーバー、ネットワーク機器はすべて、比較的低コストの無停電電源装置（UPS）に接続されています。これらはすべて密閉型鉛蓄電池を使用しており、Raspberry PiやインターネットルーターなどのDCデバイスを電源供給する方法としては特に効率的ではありません。なぜなら、入力されるAC（交流）がDC（直流）バッテリーを充電し、その後、インバーターを介してAC電力を生成し、AC-DCコンバーターがDCデバイスに電力を供給するからです。ADSLルーターを全体のAC UPSに頼るのではなく、小型のUPSを作ってみるのも面白いと思いました。 私のADSLルーターは12V/1Aの電源を持っていますが、内部的にはおそらく1.8-3.3vで動作しているにもかかわらずです。このプロジェクトでは、12V 1AのUPSを作成します。いつものように、オープンソースのAltium Designerプロジェクトファイルは GitHubで、MITライセンスの下でライセンスされています。このライセンスは、基本的に設計に対して好きなことをすることを許可します。ライブラリファイルを探している場合、このプロジェクトは私の Open Source Altium Designer Libraryを使用して設計されました。 上記は、 Altium 365 Viewerで読むことになるPCB設計です。これは、設計を表示したりボタンをクリックするだけでダウンロードできる機能を備え、同僚、クライアント、友人と繋がる無料の方法です！設計を数秒でアップロードし、重たいソフトウェアや高性能なコンピューターなしで詳細に深く見るためのインタラクティブな方法を持つことができます。 バッテリー 鉛蓄電池はエネルギーのワット時あたりのコスト効率が非常に高いですが、もう少し現代的でコンパクトで軽量なものを作りたいと思います。私のUPSには、優れたエネルギー密度、放電率、比較的高速な充電能力を提供する18650リチウムポリマーセルを2つ使用します。次のプロジェクトにバッテリーを使用する予定があるなら、OctoPartでの私の記事 プロジェクト用のバッテリー化学を選択するをぜひご覧ください。18650セルは鉛蓄電池と比較してワット時あたりのコストが比較的高いですが、私のUPSには大きな負荷はかかりません。 LG 記事を読む
なぜPCBの電源レールは低インピーダンスである必要があるのか PCBパワーレールが低インピーダンスである必要がある理由 1 min Blog 電源レールが何であるか、それがどのように機能するか、そして恐怖が悪い設計決定を下す原動力となる方法について学びましょう。 記事を読む
高電圧SMPS PCBレイアウトで熱とノイズを最小限に抑える 高電圧SMPS PCBレイアウトで熱とノイズを最小限に抑える 1 min Thought Leadership AC-DC変換であれDC-DC変換であれ、スイッチング電源のレイアウトは高電圧設計で一般的であり、慎重に構築する必要があります。このシステムは非常に一般的ですが、スイッチング中の電圧と電流の急激な変化により、簡単にEMI（電磁干渉）を放射する可能性があります。設計者は、ある領域のわずかな変更が診断が困難なEMI問題を引き起こす可能性があるため、既存の設計を新しいシステムに適応させることはほとんどありません。 適切なレイアウト選択と配線を行うことで、SMPSの出力からノイズが重大な問題になるのを防ぐことができます。低電圧コンバータは異なるフォームファクターでICとして購入できますが、高電圧コンバータは専用のボード上で個別のコンポーネントから製造する必要があります。ここでは、コンポーネントを冷却し、システムのノイズ問題を防ぐための重要なSMPS PCBレイアウトのヒントをいくつか紹介します。 SMPS PCBレイアウトのノイズと熱問題 どうしても避けられないことですが、任意のSMPSはトランジスタドライバのスイッチング動作により、中程度の高周波ノイズを発生させます。実際には、AC-DC変換中の全波整流器からの低周波リップルを高周波スイッチングノイズに変換しています。この変換によりより安定したDC出力が得られますが、依然として2つの重要なノイズ源が問題となります： スイッチング素子からの直接的なスイッチングノイズ。 システム内の他の場所での過渡的なノイズ。 SMPSユニットの出力には、伝導ノイズとしても放射ノイズとしてもノイズが現れることがあります。各問題の原因を診断するのは複雑になることがありますが、2種類のノイズを区別することは容易です。SMPS PCBレイアウトにおける他の設計上の課題は、ボード内で発生する熱です。これは、適切なPWM周波数、デューティサイクル、立ち上がり時間を選択することで影響を受けることがありますが、ボードで適切な熱管理戦略を使用する必要があります。これら2つの課題を念頭に置いて、SMPS PCBレイアウトで注意すべき細かな点を見てみましょう。 熱管理 理想的なSMPSはゼロパワーを消散しますが、現実にはこれは起こりません。スイッチングトランジスタ（およびAC-DC変換用の入力トランス）が、熱として大部分の電力を消散します。スイッチング電源トポロジーでは効率が90％を超えることもありますが、電力MOSFETはスイッチング中にかなりの熱を発散することがあります。ここでの一般的な実践は、重要なスイッチングコンポーネントにヒートシンクを設置することです。これらをグラウンドプレーンに接続して 新たなEMIの発生源を防ぐことを確認してください。 高電圧/高電流の電源では、これらのヒートシンクはかなり大きくなることがあります。エンクロージャにファンを取り付けることで、システムの冷却をさらに強化できます。ただし、新たなEMI問題を引き起こさないように、このファンの電源供給に関して ベストプラクティスに従うことを確認してください。 SMPS PCBレイアウトのヒント あなたのPCBスタックアップ レイアウトは熱管理に多少役立ちますが、EMIの感受性に関してはより大きな決定要因です。伝導ノイズは通常、入力回路と出力回路に 記事を読む
Buckコンバータ用インダクタの選択方法 Buckコンバーター用インダクタの選択方法 1 min Thought Leadership SMPSは、お気に入りの電子機器をスムーズに動かすために、静かに（しかし電気的にはノイジーに）活動しているデバイスの一つです。彼らは背景で静かに役割を果たしていますが、彼らがいなければボードは動作しません。電力をたくさん消費するアプリケーションのDC-DCコンバータ設計の一環として、安定した電力供給を高効率で負荷に提供するためには、コンポーネントの選択が非常に重要です。 数多くのDC-DCコンバータトポロジーの中で、バックコンバータは入力電圧を下げるために、高効率の電力変換を提供するために多くの用途で使用されます。これらの電力コンバータのコンポーネント選択に関する一般的な質問は、バックコンバータ用のインダクタをどのように選択するかです。バックコンバータ内のインダクタや他のコンポーネントを扱う際の目標は、電力損失を熱に限定し、同時に電流リップルを最小限に抑えることです。 バックコンバータのインダクタ 以下に示すのは、SMPS用の基本的なバックコンバータトポロジーです。この図では、MOSFETからの出力がPWM信号で駆動され、ユーザーが選択したデューティサイクルでMOSFETをオン/オフします。インダクタとキャパシタは、PWM信号が切り替わる際に負荷に安定した電流を供給するために重要な役割を果たします。最終的に、PWM信号のデューティサイクルは、ユーザーが負荷に供給される出力電圧を制御するための主要な機能です。 インダクタはPWM信号と同じレートで常に切り替わるため、出力に送られる電流にわずかなリップルを重ねる役割を担います。インダクタとキャパシタはLフィルタを形成し、これは基本的に2次のバンドパスフィルタです。十分に 大きくESRが低いキャパシタを使用すると、キャパシタは低インピーダンスを提供し、リップルを構成する高周波成分は大部分が取り除かれます。 バックコンバータ用のインダクタの選択方法 インダクタの適切な値は、設計が許容できるリップル電流と、PWM信号に使用する予定のデューティサイクルに依存します。以下の方程式は、ダイオードの順方向電圧降下とMOSFETを通過するON状態の電圧降下の関数としての出力電圧を示しています。これらの電圧を考慮した後、出力電圧は次のようになります： いくつかの数学をスキップして、重要な結果に直接移ります。まず、インダクタンスとPWM周波数はリップル電圧に反比例します。次に、リップルはPWMデューティサイクルの二次関数でもあります。バックコンバーターのリップル電流は次のようになります： PWM信号の立ち上がり時間はどちらの方程式にも現れません。しかし、立ち上がり時間は、 コンバーターから発生するノイズおよび損失（詳細は以下を参照）を決定する上で重要な役割を果たします。重要な結果は以下のようにまとめることができます： デューティサイクルを増加させるとリップルは減少しますが、出力電圧を入力電圧に近づけることにもなります。 PWM周波数を上げるとリップルは減少しますが、これによりMOSFETでの 熱放散が増加します。ただし、これには注意点があります。エッジレートが速いPWM信号を使用すると、高いPWM周波数からの損失が減少します（再度、下記参照）。 より大きな入力電圧を使用するには、リップルを許容レベルに減少させるためにより大きなインダクタを使用する必要があります。一般的に、リップルを減少させるためにはより大きなインダクタを使用します。 PWM立ち上がり時間が重要な理由 インダクタは、出力電流上のリップルを生成し、同時に抑制する役割を担っていますが、これは上記のガイドラインを使用して設計で設定できる設計目標とすることができます。しかし、インダクタが制御できないスイッチングレギュレータのいくつかの重要な側面があります： スイッチング要素からの放射EMI：このトランジスタからのスイッチングノイズは、下流回路にいくらかのノイズを誘導することがあります。 スキン効果による熱損失：これはインダクタの幾何学的形状の機能であり、インダクタンス値ではありません。インダクタがより大きな断面積と高い熱伝導率を持っている場合、インダクタからの熱がより高い速度で放散されます。 トランジスタの熱損失：トランジスタは、スイッチングと調整中に最も多くの熱を発散します。しかし、より速いエッジレートを使用することで、この熱損失を抑制できます。なぜなら、MOSFETがPWM振動の間により完全にオフに切り替わるからです。 記事を読む
デカップリングコンデンサとバイパス配置ガイドライン デカップリングコンデンサとバイパス配置ガイドライン 1 min Thought Leadership 電力整合性の問題は通常、電源の観点から見られますが、ICからの出力を見ることも同じくらい重要です。デカップリングおよびバイパスコンデンサは、PDN上で見られる電力変動を補償することを目的としており、信号レベルが一貫しており、ICの電源/グラウンドピンで一定の電圧が見られることを保証します。次のPCBでこれらのコンポーネントを成功裏に使用するための重要なバイパスおよびデカップリングコンデンサ設計ガイドラインをいくつかまとめました。このブログでは、バイパスコンデンサとデカップリングコンデンサの違いについて取り上げます。 2つの関連する電力整合性の問題 デカップリングキャパシタとバイパスキャパシタは、異なる2つの電力整合性問題を解決するために使用されます。これらの電力整合性問題は関連していますが、異なる方法で現れます。最初に指摘すべき点は、「デカップリングキャパシタ」と「バイパスキャパシタ」という用語が電力整合性に使用される場合、それらは誤称であり、何もデカップルまたはバイパスしません。また、ノイズを地面に渡すわけでもありません。単に時間をかけて充電および放電し、ノイズの変動に対応します。これらの用語は、電力整合性戦略の一部としてこれらのキャパシタの機能を指します。 まず、デカップリングコンデンサを考慮しましょう。PCBデカップリングコンデンサの配置の目的は、低周波の電源ノイズ、 PDN上のリンギング、およびPDN上のその他の電圧変動に対して、電源レール/プレーンとグラウンドプレーン間の電圧が一定に保たれるようにすることと一般に言われています。電源とグラウンドプレーンの間に配置されたデカップリングコンデンサは、プレーンと並列になり、これにより全体のPDN容量が増加します。実際には、 インタープレーン容量が不足していることを補い、PDNインピーダンスを減少させるため、PDN電圧のリンギングが最小限に抑えられます。 バイパスコンデンサについて考えてみましょう。これらもPDNと駆動IC内で一定の電圧を維持することを目的としていますが、補償する電圧は出力ピンとPCBのグラウンドプレーンの間の電圧です。電源供給ピンとICのグラウンド接続の間に配置されていますが、異なる機能を果たします。それは、キャパシタからグラウンドへのバウンスを抑制することです。デジタルICがスイッチすると、ボンドワイヤー、パッケージ、ピンの寄生インダクタンスが原因で、ドライバーの出力とグラウンドの間の電圧が増加します。バイパスコンデンサは、グラウンドバウンス電圧とは反対の電圧を出力し、理想的には総電圧変動がゼロになるようにします。 上記のモデルでは、バイパスコンデンサ（CB）とICパッケージ/グラウンド接続上の漂遊インダクタンスL1を含む閉ループがあります。出力ピンとグラウンドプレーンの間で測定される グラウンドバウンス電圧 V(GB)に注目してください。残りのインダクタンスはすべて寄生成分であり、バイパスコンデンサの応答時間に影響を与え、グラウンドバウンスを補償します。理想的なモデルでは、バイパスコンデンサによって見られる電圧は、スイッチング中に漂遊インダクタンスL1によって生成されるグラウンドバウンス電圧を補償します。 バイパスコンデンサの配置ガイドライン キャパシタからグラウンドへのバウンスが発生する仕組みを見れば、 バイパスキャパシタをどこに配置するかは明らかでしょう。上記の回路モデルにおける寄生インダクタンスのため、バイパスキャパシタは電源ピンとグラウンドピンにできるだけ近く配置する必要があります。これは、多くのアプリケーションノートやコンポーネントのデータシートで見つかるアドバイスと一致しています。 寄生インダクタンスに関連するもう一つの考慮事項は、ICへの接続がどのようにルーティングされるかです。キャパシタからICピンへ短いトレースをルーティングするのではなく、キャパシタをビアを通じて直接グラウンドプレーンと電源プレーンに接続するべきです。 パッドとトレースの間隔要件をこの配置で守ることを確認してください。 なぜこのような配置が必要なのでしょうか？その理由は、グラウンド/パワープレーンの配置（プレーンが隣接する層にある限り）は非常に低い寄生インダクタンスを持つからです。実際、これはボード内で最も低い寄生インダクタンスの源です。ボードの裏側にバイパスコンデンサを配置できる場合、より良い配置を実現できるかもしれません。 デカップリングコンデンサの設計ガイドライン PDNで必要な PCBデカップリングキャパシタのサイズを決定した後、入力電圧の変動を補償できるように、どこかに配置する必要があります。実際には、複数を使用するのが最善で、並列に配置され、並列配置により有効な直列インダクタンスが低くなります。 古いガイドラインでは、基板上のどこにでも配置できるとされていました。しかし、これには注意が必要です。なぜなら、デカップリングキャパシタとターゲットICの間の寄生インダクタンスが増加し、PDNのインピーダンスとEMIへの感受性が高まる可能性があるからです。代わりに、エッジレートが速いICの場合、ターゲットICに近づけて配置するべきです。下の画像は、ICの近くに配置された典型的なバイパスおよびデカップリングキャパシタの配置を示しています。これは、キャパシタとICの間の寄生インダクタンスが非常に低いため、高速回路にとって最適な配置の一つです。 記事を読む
多くの可能性のあるノイズ源が存在するため、それらを区別することが難しい場合があります。 同時スイッチングノイズですか、それともクロストークですか？ 1 min Thought Leadership 同時スイッチングノイズとクロストークをどのように区別できますか？この記事では、これら2つの信号整合性問題の違いについて説明します。 記事を読む